Коллаборация Borexino, в которую входят физики из Италии, США, Германии, России и Польши, объявила о регистрации солнечных нейтрино, испускаемых в редкой термоядерной реакции.

Речь идёт о так называемой pep-реакции вида

p⁺ + е^– + p⁺ → 2Н + ν_е.

Испускаемые в ней электронные нейтрино ν_е имеют характерную энергию в 1,44 МэВ, а сама реакция, приводящая к образованию дейтерия, представляет собой одну из ветвей протон-протонного цикла — совокупности естественных превращений, в ходе которых звёздный водород преобразуется в гелий.

Ветвь эта считается побочной: лишь один из 400 атомов дейтерия, подаваемых в протон-протонный цикл, образуется в pep-реакции.

Согласно теории, протон-протонная цепочка должна быть основным источником энергии в звёздах, сравнимых по размеру с Солнцем (или менее крупных). В более массивных светилах значительный вклад в энерговыделение даёт другой цикл преобразования водорода в гелий — углеродно-азотно-кислородный (CNO).

Спектр нейтрино, испускаемых в реакциях этого цикла, можно представить как сумму трёх непрерывных спектров с конечными энергиями в 1,19, 1,73 и 1,74 МэВ.

Хотя в случае Солнца общий поток нейтрино от CNO-процесса сравним с потоком ν_е от pep-реакции, выделять CNO-частицы, лишённые выраженных характерных особенностей, сложнее.

Рис. 1. Схема детектора Borexino (иллюстрация Borexino Collaboration).

Эксперимент Borexino, ориентированный на обнаружение солнечных нейтрино, проводится в подземной итальянской Национальной лаборатории Гран-Сассо; она защищена мощным слоем горных пород, задерживающим частицы космических лучей. Сам детектор Borexino имеет комплексную структуру, центральным элементом которой служит нейлоновая сфера диаметром в 8,5 м, удерживающая 278 т жидкого сцинтиллятора — псевдокумола с добавками дифенилоксазола. Этот объём отделён от 2 200 фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), регистрирующих сцинтилляционные фотоны, слоем буферной жидкости массой в 890 т, заключённой в сферу из нержавеющей стали диаметром 13,7 м. На внешней поверхности стальной конструкции, которая размещается в огромной ёмкости, заполненной 2 400 т сверхчистой воды, установлены ещё 200 ФЭУ, предназначенных для защиты от мюонного фона.

Сейчас участники Borexino, обработавшие собранные за два с половиной года данные, сообщают о том, что им впервые удалось зарегистрировать солнечные нейтрино с энергией в диапазоне 1,0–1,5 МэВ. Частоту взаимодействий ν_е от pep-реакции в детекторе они оценили в 3,1 ± 0,6 (стат.) ± 0,3 (сист.) отсчёта/(день•100 тонн). CNO-нейтрино, как и ожидалось, обнаружены не были, и физики смогли установить только верхний порог частоты их взаимодействий: она не должна превышать 7,9 отсчёта/(день•100 тонн).

Если эти результаты ввести в модель нейтринных осцилляций, учитывающую эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна, можно рассчитать поток pep-нейтрино, равный (1,6 ± 0,3)•10⁸ см^–2•с^–1 (у CNO-частиц поток будет составлять меньше 7,7•10⁸ см^–2•с^–1). Такие величины хорошо согласуются со Стандартной солнечной моделью.

Короткий рассказ об образовании солнечных нейтрино и общая характеристика эксперимента Borexino:

Полная версия отчёта опубликована в статье:

G. Bellini et al. (Borexino Collaboration) First Evidence of pep Solar Neutrinos by Direct Detection in Borexino. – Phys. Rev. Lett. – 108. – 051302 (2012) [6 pages].